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单片机常见外设接口有哪些？

接口类型	特点
GPIO（通用输入/输出）	引脚功能灵活，可配置为输入、输出、复用功能或模拟模式；支持上拉、下拉电阻设置以及电平触发中断；常用于连接按键、LED、继电器等简单数字设备 ，进行数字信号的输入输出控制
UART（通用异步收发器）	支持异步通信，可自定义波特率进行数据传输；硬件连接简单，一般只需RX（接收）和TX（发送）两根线；传输距离较短，速率相对不高；常用于单片机与电脑间调试、与蓝牙模块等通信
SPI（串行外设接口）	高速同步串行通信，支持全双工；通常由时钟线SCLK、主机输出从机输入线MOSI、主机输入从机输出线MISO和从机选择线SS组成；主从模式，一个主机可连接多个从机；适合连接高速外部设备，如ADC、FLASH存储器、显示屏等
I²C（双线接口）	低速同步串行总线，仅需数据线SDA和时钟线SCL；支持多主多从架构；通过设备地址进行寻址，占用引脚少；通信速率通常在100kHz到1MHz之间；常用于连接低功耗外设，如温湿度传感器、EEPROM、实时钟（RTC） 等
CAN（控制器局域网）	支持多主设备串行通信，具有高可靠性和强抗干扰能力；能实现较长距离的数据传输（最远可达数公里），且传输速率较高（最高可达1Mbps）；主要应用于工业自动化控制、汽车电子系统等领域
ADC（模数转换器）	将模拟信号转换为数字信号，便于单片机处理；有不同的分辨率和采样速率可选；广泛应用于温度、压力、电压等模拟量测量场景，如各类传感器数据采集
DAC（数模转换器）	把数字信号转换为模拟信号；可用于生成模拟控制信号，如音频信号生成、模拟信号驱动等
PWM（脉冲宽度调制）	通过调节脉冲信号的占空比来控制信号的平均值；可用于电机调速、LED亮度调节、电源电压调节等场景 ，实现对外部设备的模拟量控制
USB（通用串行总线）	支持高速数据传输，同时可为设备供电；具备即插即用功能，支持多种设备类型，如存储设备、通信设备、音频设备等；接口标准统一，兼容性好

UART

UART（通用异步收发传输器）的知识点主要涵盖以下方面：

基础概念

• 定义：一种通用串行数据总线，用于异步通信，能实现双向全双工传输和接收。
• 历史：可追溯到1960年，最初用于连接微型计算机与电传打字机 。
• 用途：在嵌入式设计中，用于主机与辅助设备通信，如汽车音响与外接AP通信、与PC机及其他器件（像EEPROM）通信等；在手机设计和测试阶段控制CPU与其余部分的讯息传送。

通信协议

• 数据传输方式：将传输数据的每个字符一位接一位地传输。
• 数据帧结构：
  • 起始位：逻辑“0”，表示传输字符开始。
  • 数据位：可以是4、5、6、7、8位等，常采用ASCII码，从最低位开始传送。
  • 奇偶校验位：用于校验资料传送的正确性，使“1”的位数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验） ，也可无校验位。
  • 停止位：是字符数据的结束标志，可为1位、1.5位或2位高电平，还可提供时钟同步校正机会。
  • 空闲位：逻辑“1”，表示当前线路无资料传送。
• 波特率：衡量资料传送速率的指标，指每秒钟传送的符号数。通信双方需设置相同波特率以确保数据正确传输，常见的有9600、115200等。

硬件结构

• 输出缓冲寄存器：接收CPU从数据总线上送来的并行数据并保存。
• 输出移位寄存器：接收输出缓冲器的并行数据，以发送时钟速率逐位移出，实现并行到串行数据的转换。
• 输入移位寄存器：以接收时钟速率逐位移入串行数据，装满后转换为并行数据送往输入缓冲寄存器。
• 输入缓冲寄存器：接收输入移位寄存器的并行数据，供CPU取走。
• 控制寄存器：接收CPU送来的控制字，决定通信的传输方式（异步或同步）、数据格式（数据位个数、有无奇偶校验、停止位位数等）。
• 状态寄存器：存放接口各种状态信息，如输出缓冲区是否空、输入字符是否准备好等，便于CPU查询。

工作原理

• 发送接收：发送逻辑将从发送FIFO读取的数据进行“并→串”转换，按配置输出起始位、数据位、奇偶校验位和停止位；接收逻辑在检测到有效起始脉冲后，对接收位流执行“串→并”转换，并检测各类错误 。
• 波特率产生：波特率除数由16位整数和6位小数组成，波特率发生器用其决定位周期，在足够高系统时钟速率下，可产生标准波特率且误差小。
• 数据收发：发送时数据写入发送FIFO，按预设参数发送，发送FIFO非空时忙标志位有效；接收时，若检测到起始位，接收计数器运行，按规则采样数据，接收到完整字符存于接收FIFO。
• 中断控制：FIFO溢出、线中止、奇偶校验错误、帧错误、接收超时、发送、接收等情况可使UART产生中断，通过查询中断状态函数，软件可在同个中断服务函数处理多个中断事件。
• FIFO操作：包含发送和接收FIFO，可配置不同深度触发中断，解决UART收发中断频繁导致CPU效率不高的问题，按先进先出原则操作。
• 回环操作：可进入内部回环模式，用于诊断或调试，发送的数据被自身接收。

电平标准

• TTL：使用标准TTL逻辑电平（常见5V、3.3V、1.8V ），设备共地，单向通信一根信号线，双向全双工需两根，适用于短距离通信，如电子DIY项目、嵌入式系统等。
• RS - 232：美国电子工业联盟指定的串行数据通信接口标准，电平范围-15V至+15V，典型±12V，用于计算机串行接口和外部设备通信，如调制解调器、打印机等，适用于短距离通信，抗干扰性较好。
• RS - 485：基于RS - 422标准制定，多点、差分信号串行通信标准，以正负差分电平表示数据，支持多个设备在同一通信线传输，通信距离可达1200米，适用于远距离和噪声环境下的通信 。

特点

• 优点：布线简单，只需两根线（TX和RX）；不需要时钟信号；可通过奇偶校验位执行错误检查；数据包结构可更改；应用广泛。
• 限制：数据帧最多9位；无法设置多个从站或主站系统；波特率偏差需在10%以内 。

此外，UART与USART（通用同步/异步收发器）有所关联，USART在UART基础上增加了同步功能，多了仅支持输出的时钟，可兼容别的协议或用于特殊用途，但不支持两个USART之间同步通信 。

GPIO

GPIO（General - purpose input/output，通用型输入输出）的知识点主要包含以下方面：

基本概念

• 定义：是一种通用的输入输出接口，像微控制器的“手脚”，通过芯片引脚与外部设备连接，实现单片机等与外部世界的交互，几乎所有微控制器都具备该功能。
• 功能选择：一个引脚可作通用输入（GPI）、通用输出（GPO） 或通用输入与输出（GPIO），如clk generator（时钟发生器）、chip select（片选）等功能。其功能由寄存器配置选择。

寄存器相关

• GPxCON寄存器：用于配置引脚功能。不同端口在功能选择上有差异，如GPACON中每一位对应一根引脚；PORT B - PORT H/J的GPxCON中每两位控制一根引脚，通过设置不同数值确定引脚为输入、输出、特殊功能或保留状态。
• GPxDAT寄存器：用于读写引脚。当引脚设为输入，读取此寄存器可知引脚电平状态；设为输出时，写入相应位可控制引脚输出电平 。
• GPxUP寄存器：用于确定是否使用内部上拉电阻。某位为1时，相应管脚无内部上拉电阻；为0时相应管脚有内部上拉电阻。上拉电阻在引脚处于高阻态时，决定引脚电平状态 。

工作模式

• 输入模式 ：
  • 浮空输入：电平由外部输入决定，引脚悬空时电平不确定、易受干扰，常用于外部按键输入、IIC和USART等标准通讯协议，是STM32复位后的默认模式。
  • 上拉输入：通过上拉电阻将输入信号钳在高电平，外部无信号输入时引脚读高电平，可避免电平浮动导致信号不稳定。
  • 下拉输入：借助下拉电阻使引脚在无外部输入时为低电平。
  • 模拟输入：信号不经过上拉或下拉电阻，关闭施密特触发器，直接传送到片上外设模块，用于ADC采集电压等场景，获取原始模拟信号 。
• 输出模式 ：
  • 推挽输出：使用两个MOS管，输出寄存器为’0’时激活NMOS，为’1’时激活PMOS，具备输出高低电平能力，可直接驱动一些负载 。
  • 开漏输出：仅使用NMOS，输出寄存器为’1’时端口处于高阻状态，无法真正输出高电平，需外部上拉电阻，可改变上拉电源电压提高驱动能力，还能实现线与功能，常用于IIC等总线协议 。

基本操作

• 配置：使用前需进行配置，步骤包括使能GPIO时钟，设置GPIO方向（输入/输出） 以及配置工作模式。例如在STM32中，通过操作相关寄存器完成这些配置。
• 输出操作：配置为输出模式后，可通过设置输出电平控制外部设备，如控制LED亮灭。操作相关寄存器实现电平设置，部分寄存器支持原子操作，避免多线程冲突 。
• 输入操作：配置为输入模式后，可读取引脚电平状态，如读取按键状态 。

优点

• 低功耗：功率损耗低，如约1μA，远低于微控制器（μC）工作电流（约100μA）。
• 集成接口：内置IIC从机接口，待机模式也能全速工作。
• 封装小成本低：提供小尺寸封装如3mm x 3mm QFN，且只需为使用的功能付费。
• 开发便捷：无需编写额外代码、文档和维护，可预先确定响应时间，还能实现灵活的灯光控制，布线简单，仅需2条线组成IIC总线或3条组成SPI总线 。

常见应用场景

• 简单设备控制：控制LED灯亮灭、蜂鸣器发声、继电器开关等。
• 输入信号读取：读取按键状态、检测外部开关状态；连接传感器（如温度、湿度传感器）读取数据；用于触摸屏输入，检测触摸操作和获取坐标 。
• 通信接口：复用为串行通信接口（如SPI、I2C、UART）、定时器输入/输出等 。
• 电机驱动：控制电机正反转、速度等 。

SPI

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）的知识点主要有以下这些：

基本概念

• 定义：SPI 是一种高速、全双工、同步的通信总线，由摩托罗拉首先在其处理器上定义。采用主从模式工作，通常一个主设备可与一个或多个从设备通信。
• 应用场景：常用于芯片间的数据传输，广泛应用于EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器、数字信号处理器和数字信号解码器等设备之间 。

物理连接

SPI接口一般使用4条线进行通信：

• SCLK（Serial Clock，串行时钟线） ：由主设备产生，用于同步主从设备间的数据传输，控制数据交换的时机和速率。
• MOSI（Master Output Slave Input，主出从入数据线） ：主设备通过这条线向从设备发送数据。
• MISO（Master Input Slave Output，主入从出数据线） ：从设备通过该线向主设备发送数据。
• SS/CS（Slave Select/Chip select，从机选择线/片选线） ：由主设备控制，低电平有效。当某从设备的SS线被拉低时，主设备才能与该从设备进行通信，可允许多个从设备连接到同一SPI总线上 。

通信协议

• 数据传输 ：SPI以串行方式一位一位传输数据，在时钟信号SCLK的作用下，主从设备的移位寄存器进行数据交换。主设备发起读写操作，且在每个时钟周期，主从设备都会同时发送和接收一位数据，完成一次数据交换。若只需写操作，主机忽略接收的数据；若要读数据，主机需发送一个空字节来触发从机传输 。
• 传输模式：根据时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）的不同组合，SPI有4种传输模式：
  • 模式0：CPOL = 0（时钟空闲时为低电平），CPHA = 0（在时钟的第一个上升沿采样数据，下降沿切换数据）。
  • 模式1：CPOL = 0，CPHA = 1（在时钟的第一个下降沿采样数据，上升沿切换数据） 。
  • 模式2：CPOL = 1（时钟空闲时为高电平），CPHA = 0（在时钟的第一个下降沿采样数据，上升沿切换数据） 。
  • 模式3：CPOL = 1，CPHA = 1（在时钟的第一个上升沿采样数据，下降沿切换数据） 。
    主从设备必须工作在相同模式下才能正常通信。
• 传输速率：没有固定的传输速率限制，可自定义，一般在400KHz - 10MHz，实际速率受硬件特性和应用场景制约 。

工作原理

主设备和从设备内部都有串行移位寄存器。通信时，主设备先拉低对应从设备的SS线，选中该从设备，然后通过SCLK发送时钟信号，同时将要发送的数据写入发送数据缓存区，经移位寄存器从MOSI逐位发送给从设备；从设备在SCLK作用下，将自身移位寄存器中的数据从MISO返回给主设备，并通过MOSI接收主设备发送的数据，从而实现数据交换 。

优缺点

• 优点：
  • 高速高效：全双工同步通信，能实现高速数据传输，数据传输效率高。
  • 硬件简单：只需4根线，节省芯片引脚和PCB布局空间，硬件设计简单。
  • 易于扩展：支持一主多从拓扑结构，主设备可方便地与多个从设备通信 。
• 缺点：
  • 缺乏流控和应答：没有指定的流控制机制，也无应答机制确认数据是否被接收，需在应用层自行处理相关问题 。
  • 从设备选择复杂：多个从设备时，每个从设备需独立片选信号，硬件复杂度比I2C等总线高 。
  • 无统一标准：未规定电气特性、最大传输速率、地址方案等，不同设备的SPI接口可能存在差异 。

软件编程要点

编程时需初始化SPI相关寄存器，配置工作模式（主/从模式）、传输模式（上述4种模式之一）、时钟频率等参数；数据发送和接收操作通常通过读写SPI数据寄存器实现 。 此外，若使用GPIO模拟SPI通信，需按照SPI的时序要求，手动控制GPIO引脚的电平变化来模拟时钟信号和数据传输 。

I²C

I²C（Inter - Integrated Circuit）即集成电路总线，是一种串行通信协议，由飞利浦公司在1980年代初开发。以下是关于它的详细知识点：

基础概念

• 定义：I²C是一种同步、半双工、多主多从的串行通信总线，用于连接微控制器和外围设备，能在不同集成电路之间实现高效、可靠的数据传输。
• 应用场景：广泛应用于传感器（如温度传感器、加速度计）、EEPROM、实时时钟（RTC）、LCD驱动器等设备与主控芯片之间的通信。

物理连接

• 信号线：I²C总线仅需两根信号线，即串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。所有连接到总线上的设备都通过这两根线进行通信。
• 上拉电阻：SDA和SCL线上通常需要接上拉电阻到电源，以确保在空闲状态下两条线都保持高电平。当有设备驱动它们为低电平时，才能实现数据的传输。

通信协议

• 数据传输：数据以字节为单位进行传输，每个字节后面都跟随一个应答位（ACK）。发送方在发送完一个字节后，会释放SDA线，等待接收方拉低SDA线以表示成功接收该字节。
• 起始和停止条件：
  • 起始条件：当SCL线为高电平时，SDA线由高电平变为低电平，表示数据传输的开始。
  • 停止条件：当SCL线为高电平时，SDA线由低电平变为高电平，表示数据传输的结束。
• 数据有效性：在SCL线为高电平期间，SDA线上的数据必须保持稳定，此时数据有效；只有在SCL线为低电平时，SDA线上的数据才允许改变。
• 地址和读写位：通信开始时，主设备会发送一个7位或10位的从设备地址，后面跟随一个读写位（0表示写操作，1表示读操作）。总线上的所有从设备都会接收这个地址，并与自己的地址进行比较，如果匹配则响应主设备。

工作模式

• 主发送模式：主设备向从设备发送数据。主设备发起起始条件，发送从设备地址和写位，然后依次发送数据字节，每发送一个字节等待从设备的应答。最后，主设备发送停止条件结束通信。
• 主接收模式：主设备从从设备接收数据。主设备发起起始条件，发送从设备地址和读位，从设备应答后开始发送数据字节，主设备每接收一个字节需要发送一个应答位。当主设备不想再接收数据时，发送一个非应答位（NACK），然后发送停止条件结束通信。
• 从发送模式：从设备在接收到主设备的读请求后，向主设备发送数据。
• 从接收模式：从设备接收主设备发送的数据。

通信速率

• 标准模式：最高通信速率为100kbps。
• 快速模式：最高通信速率可达400kbps。
• 快速模式+：最高通信速率为1Mbps。
• 高速模式：最高通信速率可达3.4Mbps。

优缺点

• 优点：
  • 引脚少：仅需两根信号线，大大节省了微控制器的引脚资源。
  • 多主多从：支持多个主设备和多个从设备同时连接到总线上，方便构建复杂的系统。
  • 简单易用：通信协议相对简单，硬件实现成本低。
• 缺点：
  • 传输速率有限：虽然有多种速率模式可供选择，但相比一些高速总线（如SPI），其传输速率仍然较低。
  • 传输距离短：由于信号线上存在上拉电阻和分布电容等因素，导致传输距离受到一定限制。
  • 数据传输量小：每次传输的数据量通常较小，不适用于大数据量的快速传输。

软件编程要点

• 初始化：配置微控制器的I²C接口，设置通信速率、工作模式等参数。
• 起始和停止条件的生成：通过控制SDA和SCL线的电平变化，生成起始和停止条件。
• 数据发送和接收：按照I²C协议的规定，发送和接收数据字节，并处理应答位。
• 错误处理：处理可能出现的错误情况，如应答失败、超时等。